الشاحن التوربيني ، الذي يشار إليه عمومًا باسم توربو في صناعة السيارات ، هو نظام شحن فائق للمحرك يهدف إلى زيادة كثافة الطاقة لمحركات الضغط والاحتراق (البنزين والديزل).
يعود اختراعه إلى عام 1902 عندما قدم لويس رينو براءة اختراع على مبدأ الشحن الفائق بواسطة المروحة أو الضاغط ، والذي استخدمه في المنافسة ، ولكن لم يتم تعريفه بعد على أنه شاحن توربيني.
في عام 1905 ، مُنحت براءة اختراع مبدأ الشاحن التوربيني للمهندس السويسري ألفريد بوتشي من قبل Deutsches Reichspatent (DRP) وثانية لتطبيقها على محرك الاحتراق الداخلي.
في الأعوام 1909-1912 ، طور الدكتور ألفريد بوتشي أول شاحن توربيني يعمل بغازات عادم المحرك. بعد ثلاث سنوات ، توصل إلى نموذج أولي لمحرك ديزل توربو ، ولكن في ذلك الوقت لم تلق فكرته الكثير من الحماس.
في عام 1954 ، مع تطوير أول نموذج شاحن توربيني مدمج من قبل Kurt Beirer ، بدأت Cummins و Scania و Volvo إنتاج الشاحنات المجهزة بالتوربو. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن السيارة المزودة بمحرك Cummins فائق الشحن احتلت موقع الصدارة في سباق السيارات إنديانابوليس في عام 1952.
أدت أزمة الوقود في السبعينيات إلى جانب معايير انبعاثات العادم الصارمة المتزايدة إلى زيادة كبيرة في شعبية الشاحنات فائقة الشحن. ومع ذلك ، لا تزال الكفاءة المنخفضة وتكلفة التشغيل العالية تعني عدم استخدام هذه المحركات في سيارات الركاب.
حدثت الثورة الحقيقية في الثمانينيات مع ظهور سلسلة مرسيدس 300 وفولكس فاجن جولف في الأسواق ، وكلاهما مزود بمحركات ديزل توربو. كان هذا هو الوقت الذي بدأ فيه استخدام الشحن التوربيني في سيارات الركاب ويتم تطبيقه هناك حتى اليوم.
مبدأ تشغيل التوربو
مبدأ التوربو هو كما يلي: غازات العادم المنبعثة من المحرك تدير التوربينات (باللون الأحمر على الرسم التخطيطي). يتم توصيل هذا التوربين بواسطة محور بمروحة ثانية (باللون الأزرق) والتي سيكون لها دور في إرسال كتلة كبيرة من الهواء نحو المدخل (ينتهي الهواء الذي يتراكم بالضغط ، ومن هنا جاء اسم الشاحن التوربيني). سيتم إرسال هذا الهواء المضغوط إلى المحرك ثم زيادة إمداد الأكسجين (والذي يمثل حوالي 20٪ من الهواء الذي يمر عبره) في غرفة الاحتراق ، وبالتالي تعزيز الطاقة (كلما زاد الهواء ، زاد الوقود الذي يمكنك وضعه).
تكوين توربو
يتكون الشاحن التوربيني من "مراوح" مترابطة (توربين وضاغط).
يوجد اليوم عدة أنواع من التربو:
التربينات ذات الهندسة الثابتة: لزيادة الطاقة عند السرعة المنخفضة ، تدخل الغازات إلى التوربين عبر أنبوب ضيق مما يزيد الضغط. لمنع الضغط الزائد ، يقوم الصمام بإخلاء الغازات. لا يزال هذا النوع من التوربو هو الأكثر شيوعًا اليوم. يدور التوربين بسرعات تتراوح بين 15000 و 240.000 دورة في الدقيقة.
توربينات ذات هندسة متغيرة (اخترعها GARRETT): تم تطويرها في التسعينيات للسماح باستخدام الغازات بشكل أفضل ، ويتم تنظيم الضغط بفضل جهاز مما يعني أنه كلما زاد الضغط ، زاد السماح بمرور التوربين ، وهو Turbo "واحد قطعة ".
يستخدم نظام آخر تقنية "متعددة الزعانف" أكثر تعقيدًا. يتم التحكم في اتجاه الزعانف إلكترونيًا.
ثنائية التوربو
عادة ما يوجد توربو واحد فقط في السيارات ، بسبب التكلفة العالية لهذه الآلية. ومع ذلك ، فإن بعض المحركات الأكثر كفاءة مزودة باثنين من التوربينات (ثنائية التوربو).
في حالة ما يسمى بالتجميع "المتسلسل" لاثنين من التوربينات المتماثلة (أي أن التوربينات واحدة تلو الأخرى) ، يكون الأول نشطًا حتى عندما تكون سرعة المحرك منخفضة وسرعة المحرك منخفضة. ثانيًا عندما تصبح سرعة المحرك أعلى. وبالتالي ، يصبح المحرك أكثر كفاءة ، حتى لو كانت سرعة المحرك منخفضة.
في حالة التحرير المتسلسل أو مزدوج المرحلة ، لا يكون التوربوان بنفس الحجم ، لكن المبدأ متشابه. ينشط التوربو الأصغر عند سرعة المحرك المنخفضة ويساعده التوربو الأكبر (الذي يتميز بتدفق أعلى) بمجرد زيادة سرعة المحرك. بمجرد ارتفاع الدورات ، يعمل المحرك الأكبر من تلقاء نفسه.
المبرد أو المبادل؟
لزيادة قدرة التوربو (وعلى نطاق أوسع كمية الهواء) ، يجب تبريد الهواء المضغوط. في الواقع ، من الضروري معرفة أن أي غاز يضغط على المكاسب في درجة الحرارة ، هو ظاهرة فيزيائية أولية.
عن طريق ضغط الهواء ، ينتهي التوربو بتسخينه ... لسوء الحظ ، فإن إرسال الهواء الساخن (وبالتالي الموسع) إلى المحرك ليس مثاليًا (كلما كان الهواء أكثر برودة ، كلما قل المساحة التي يشغلها ، يمكننا وضع المزيد من الهواء البارد فيه نفس الحجم من الهواء الساخن) ...
للتغلب على هذا ، اخترعنا المبرد البيني الذي يسمح ببساطة بتبريد الهواء المضغوط بواسطة التربو قبل إرساله إلى غرف الاحتراق.
هل التوربو يعمل بالكهرباء؟
أصبحت المزيد والمزيد من العناصر كهربائية في سياراتنا ، وهذا يساعد في تقليل استهلاك الوقود. هذا هو الحال أيضًا مع نظام التوجيه الكهربائي الذي يجعل من الممكن عدم استهلاك أي شيء في خط مستقيم (عندما لا تكون عجلة القيادة لذلك) على عكس المضخة التي تعمل بقوة المحرك (حزام الملحقات).
التوربو الآن في مرمى النيران مع المزيد والمزيد من مصنعي المعدات الذين يفكرون في جعله كهربائيًا. يبدو أن انتشار السيارات الهجينة (الكثير من الموارد الكهربائية بفضل البطاريات) يؤيد هذه الظاهرة.
من الناحية الفنية ، يمكننا القول إننا نتعامل هنا مع اندماج بين التوربو والضاغط (توربو لأنه يعمل بسرعات عالية جدًا وضاغط لأنه لا يتم تزويده بغاز من العادم).
عزز التوربو الخاص بك
هناك طريقتان لتحسين أداء التوربو الخاص به:
يتيح تعديل بوابة النفايات زيادة ضغط التوربو عند المدخول (كن حذرًا ، يجب أن يتم ذلك بواسطة متخصصين) ؛
قم بتغيير المبرد البيني لطراز أكبر من أجل تبريد الهواء بشكل أفضل (وبالتالي وضع المزيد في المحرك لأن الهواء البارد يشغل مساحة أقل).
التوربو: صديق التقليص
مع الحقن بالضغط العالي ، يعتبر التوربو أحد الركائز التي تسمح بتقليل الإزاحة وهو أمر أكثر عصرية لتقليل استهلاك الوقود. بطريقة ما ، يسمح بتوسيع إزاحة المحرك بشكل مصطنع لأنه يسمح بابتلاع المزيد من الهواء فيه (كما لو كانت أسطواناته أكبر في النهاية).
أعراض الخلل
في بعض الأحيان تكون هناك أعراض يسهل التعرف عليها وتشير إلى خلل في التوربو. إذا كان هناك ضوضاء مفرطة وفقدان في الطاقة مصحوبًا بأبخرة زرقاء ، فكل ما عليك فعله هو تغيير التوربو. في حالة انبعاث دخان أسود وتهتز السيارة ، فإن نظام التحكم في الهندسة المتغيرة هو الذي يتأثر. هذا غالبًا بسبب القاذورات التوربينية. في هذه الحالة ، غالبًا ما يكون تنظيف النظام كافيًا لحل المشكلة.
مزايا :
طاقة عالية للإزاحة المنخفضة (تقليص الحجم)
حجم صغير لظروف التثبيت الضيقة
عزم دوران أعلى في دورات منخفضة
انبعاث ضوضاء أقل
استهلاك الوقود المناسب على وجه التحديد
سلبيات:
نظرًا لاستخدام غازات العادم لتشغيل التوربين ، يصبح إخلاءهم أكثر صعوبة. تخلق سرعة الدوران العالية جدًا للتوربو خطرًا إضافيًا لحدوث عطل في المحرك. في الواقع ، إذا وصلت نهاية شفرات التوربين (التي تستخدم لتدوير العجلة) إلى سرعة ترانسونيك (تساوي سرعة الصوت) أو سرعة تفوق سرعة الصوت (أكبر من سرعة الصوت) ، فسيتم تدمير التوربو. لذلك يجب التحكم في سرعة الدوران هذه تمامًا. في حالة تعطل التوربو ، يمكن للمحرك الاستمرار في العمل ولكن كفاءته أقل بكثير والأداء يتدهور بشدة. أيضًا بسبب سرعة الدوران العالية جدًا ، يجب أن تكون شفرات التوربين والضاغط متوازنة تمامًا. إذا لم تكن كذلك ، فإن العجلتين (التوربينات والضاغط) يمكن أن تنحرف عن المركز قليلاً وتحدث أضرارًا جسيمة ، ويتعرض التوربو لضغوط حرارية شديدة. على جانب التوربينات ، تكون غازات العادم شديدة السخونة (أكثر من 800 درجة مئوية لمحرك الديزل وأكثر من 1000 درجة مئوية لمحرك البنزين) وعلى جانب الضاغط ، يكون الهواء المسحوب في درجة حرارة الغرفة. ولذلك فإن المواد المستخدمة في تصنيع هذا النظام مصممة خصيصًا لتحمل مثل هذه الضغوط ، وهو ما يفسر ارتفاع سعر التوربو. عند التسارع ، لا يضغط التوربو على كمية كافية من الهواء في البداية ويشعر السائق أحيانًا بنوع من "القفزة" في التسارع والتي قد تكون غير سارة. هذا القفز مرتبط بالوقت الذي يستغرقه التوربو لضغط ما يكفي من الهواء. لتقليل هذا الكمون ، يستخدم مصنعو السيارات توربينات كهربائية أو توربينات ذات هندسة متغيرة.
في الوقت الحاضر :
تستخدم الشاحن التوربيني على نطاق واسع في صناعة السيارات ، للسيارات وكذلك الشاحنات الصغيرة التجارية ، لأنها تقلل من استهلاك الوقود ، وتقلل من انبعاثات الملوثات وتزيد من قوة المحرك.